Микроволновые радиометры

1.

Тема 5 (2)
МИКРОВОЛНОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ
Схема радиометрического приёмного комплекса
2
3
4
1
Свойства радиотеплового комплекса:
1.принимать шумовое
электромагнитное излучение
в f , r, ;
2.обладать высокой
чувствительностью;
3. обеспечить возможность
однозначной привязки измеряемого
потока излучения к (x,y,z).
Составляющие
радиотеплового комплекса:
1. антенная система;
2. радиотепловой приёмник;
3. устройство предварительной
обработки (управление
антенной, сбор информации,
калибровка, обработка);
4. устройство передачи и
обработки информации для
наземного комплекса.

2. МИКРОВОЛНОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ

Схема радиометрического приёмного комплекса
Антенная система и приемное устройство:
Антенная система:
1.преобразование э.м. волны (свободное
пространство – направляющие структуры);
2.согласование волнового сопротивления
(своб. простр. – направл. структуры);
3. пространственно-угловая селекция
сигнала для формирования полосы обзора;
4.однородные частотные свойства
характеристик в рабочей полосе частот.
Радиометрическое
приёмное устройство:
1.РЧ усилитель - усиление
сигнала в нужной полосе
частот для КД;
2.квадратичный детектор;
3.ФНЧ.
Помехи:
1.АШ - Ш f(С) Iш+IС ;
2.МШ – Ш=f(С) Iш*IС .

3. МИКРОВОЛНОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ

Язык эквивалентных схем
Антенной температурой ТА называют термодинамическую
температуру воображаемой согласованной нагрузки,
подключенной ко входу приемника вместо антенны,
которая создает такую же мощность тепловых шумов, что
и рассматриваемая совокупность внешних источников.
Rin R Pmax
E2
4R
- условие согласования
G
f
P G f f kTA f f TA f
k
TN TN 1 TN 2 TNM
TA TN
шумовая температура
приемника

4. МИКРОВОЛНОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ

Флуктуационный порог чувствительности радиометров
Порог чувствительности системы
T F 2TN
F
TN
f
2 f
TN 300 K , f 109 Гц, 1 c
Tir 6.7 10 3 K
минимальное приращение антенной температуры
радиометра, соответствующее среднеквадратичному
отклонению флуктуаций его собственных шумов
N
S 2 F f 10 4 10 5

5. МИКРОВОЛНОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ

Флуктуационный порог чувствительности радиометров
Флуктуации мультипликативного типа
VS N2 k1G A f TS t k f
VS G A f
GA f
TS t
?
A
физические свойства приборов
G
, 1, 0.6 2
FN
f
усилительной системы (электронные
A const - тип усилителя
приборы, твёрдотельные приборы)
Фликкер шум (фликкер-эффект)
"Цветные" шумы
P 2 G d - расходится при 0
0
NF

6. МИКРОВОЛНОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ.

Флуктуационный порог чувствительности радиометров
Фликкер шум
F0
2
FN
GFN f df - дисперсия фликкер-шума
F
t 1 ( F0 F ) - время накопления сигнала,
F , F0 - нижняя и верхняя граница ФНЧ,
компонента шумового
сигнала после КП
входного шумового
спектр
сигнала
фликер-шума
коэффициент
передачи по
мощности ФНЧ
S f , FN f F0 , F
Порог чувствительности фликкер-шума
TFN TN
FN
GA
.
спектральная компонента
изучаемого сигнала
Чувствительность компенсационного радиометра
2
линейный коэффициент усиления помощности K
9
2
T
300
K
,
f
1
ГГц
10
Гц,
N
2
T Tir2 TFN
TN
1
FN
2 f G A
1 с, FN 10 2 10 3 G A
T 3 K
T
Tir 450

7.

Модуляционный радиометр Дикке
f m 100 1000 Гц
TR
Ta
временная
циклограмма
спектральная
Разложение
в ряд Фурье
Амплитудно-фазовый спектр импульсного сигнала:
4
1
1
S U cos t cos 3 t cos5 t ,
3
5
амплитуды спектра мощности
2
1
1
S
S
2 f m , AN
, AN
, N 0, 1, 2,
2
2 N 1
2 N 1

8.

Модуляционный радиометр
временная
Амплитуда
излучений
циклограмма
Интенсивность:
T1 Ta TN ,
T2 TR TN
Функция ПУНЧ
const
T1 , T2
S , FN
спектральная

9.

Модуляционный радиометр
временная
циклограмма
спектральная
Действие ПУНЧ:
вырезает в f ,
усиливает,
подавляет.
I const
u T1 T2
ФНЧ

10.

Модуляционный радиометр
2
u2 I const 0 - линейное
1
1 детектирование,
I const
1
u
9 25 8 2 B,
u2 f 1 2
max u2 0 детектор:
, u2 0, u2
Синхронный
2
гармонический и импульсный
сигналы:
Управление гармоническим сигналом
R2 R0 1 A cos t 2 ,
2B
I const
u2
- промежуточное значение.
u
закон Ома u 1 R
u1 u0 cos t 1
2
R1
2
B
B
cos t 1 cos 1 2
A
2
B
Au0 R0
cos 2 t 1 2 , B
.
2
R1
u2
Прямоугольное синхронное пульсирование входного и управляющего сигнала:
4
1
1
16 1 1 1
S U cos t cos 3 t cos5 t u2I const B 2 1
3
5
2 9 25

11.

Модуляционный радиометр
T1 TS TN
T2 T0 TN
Функция ПУНЧ
Модуляционный прием:
выход квадратичного детектора, т. 3:
V2 u22 k TN T TS f const , рисунок
1
Синхронный детектор:
S
,
FN
2
импульсный
сигнал 1 u2I const 0
const
.
V1 u1 k TN T 2 T0 fVПУНЧ
2
ФНЧ
1 1
T1 T2
TS
T0
I const
uпрошедшие
B
T T2
TN
1 9 25 Флуктуации,
2
ПУНЧ
8
2
2
выход ПУНЧ:
TS T0
4
f (cos 2 f mt
2
1
1
cos 3 2 f mt cos5 2 f mt ) A t
3
5
VПУНЧ k
VФНЧ
1
k TS T0 f A1 t
2

12.

Модуляционный радиометр
T T T
0 VФНЧ 0,
T T T
1
S
N
2
0
N
VФНЧ 0,
2
VФНЧ - сигнал отсутствует.
1
k TS T0 f A1 t
2
Свойства модуляционных измерений:
VФНЧ
1.На выходе системы регистрируется сигнал в виде разности между
исследуемым и эталонным сигналами. При TS = T0 на выходе системы
«0», хотя на входе системы присутствует исследуемый сигнал. Требуется
внешняя калибровка.
2.Выходной сигнал системы калибруется и нормируется в виде шкалы
абсолютной температуры в градусах К, приведённой ко входу системы.
3.Фазочувствительные элементы (модулятор и синхронный детектор) выходной сигнал также является фазочувствительным по отношению к
фазе управляющего сигнала для синхронного детектора.

13.

Модуляционный радиометр
T1 TS TN
T2 T0 TN
Порог чувствительности:
синусоидальная модуляция:
F
T mr 2 2TN
Tmr
2.82 f
Tir
Tir 2TN
Tr TN
F
Tmr
2
f
Tir
F TN
f
2 f
2 Tir , 2 4 T
Спектр шумовых компонент после к.д.
Спектр шумовых компонент после ПУНЧ

14.

Модуляционный радиометр
выход ФНЧ:
Фликкер шум:
VS TS k f k1G A f TS t k f
1
ФНЧ
V
k1G A f k TS T0 f
mr
1
ФНЧ
2
Vmr k TS T0 f A1 t
2
G A f - линейный коэф. усиления по мощности системы,
k1 - линейный коэф. преобразования остальных элементов системы.
2
TS T0
F
2 FN
T T
TS T0
FN f
f
G
T
N
A
TS T0
1 FN 0,
TN
бортовые измереня собственного излучения земных покровов:
TS T0
TWater 150 K TForest 300 K
0.1 0.5 FN
TN
2
N

15.

Модуляционный радиометр.
Квазинулевой режим:
TS 0
TNS
TS TS 0 TNS T0
T0
TS 0
T0
TNSky n 10 K
2
F
2
TS T0 FN ,
f
GA
150 K T 0.1 K
T TN2
TWater
TNS
TND
TNS TND TNSky

16.

Измерение основных параметров радиометра T, TN, f, ( F)
Методы измерения порога чувствительности T:
T F
Tr TN
1 n
a ai ,
n i 1
a
n
i 1
i
при отсутствии сигнала
a
2
,
n 1
калибровочный сигнал:
Tк к
F TN
f
2 f
T Tк
к
t

17.

Измерение шумовой температуры радиометра TN
I const
u u
T1
1
1
I 2
u
T2
I 2
Линейный тракт приемника:
1 ~ TN T1
1 2
T1
TN T1 T2
2 ~ TN T2
1 1 2
Нелинейный тракт приемника:
1
T2 TN
аттенюатр
L
2

18.

Определение полосы принимаемых частот f
PФ kTГШ f ф
f ф ~ 0.1 f
f ф
P f df
P f0
l l1 l2
интерференция
E и Ee ikl
Eвх
E 1 e , dP
ikl
Eвх Eвх* df 2 E 2 1 cos kl df
sin a f
2 E 1 cos kl df 2 E f 1
cos 2af 0
a
f
f1
f2
P
2
2
sin a f
l 0 f 0 f
01 , a l c
a f
f f 0
0
l1
f 0 0 4l2

19.

Определение постоянной времени
ФНЧ -цепочка RC-фильтров
U вых t
1
1
U вх t 1 j RC 1 j
dU вых t
U U вых
U вх t U вых t
вх
dt
dU вых dt
U
вых dt
dU вых
t1
dt
0
U1
dU вых
U вых
U0
U
U1
ln 1
e t1
U0
U0
t1

20.

Основные схемы усилительных устройств.
Приёмное устройство - микроволновый усилитель
(до квадратичного детектора)
Усилительные устройства:
1. детекторные приёмники,
2. приёмники прямого усиления,
3. приемники супергетеродинного типа.
Детекторные приёмники
− лабораторные измерения,
− радиоастрономия (интенсивные ист. - см и мм),
− водяной пар в облачном слое Венеры
на аппарате «Маринер-2»
T
Приёмники прямого усиления
f 50
Tш
60 ГГц, T
10 3 K 1 с
f - основной недостаток
2 3K

21.

Основные схемы усилительных устройств
Приёмники супергетеродинного типа
fс
fг
fг fс
fг fс
fс
fг
T
0.05
0.1 К